NiO雙功能催化劑 助力RuO2水解製氫

據Material Views網站報道：開發清潔能源轉換與存儲技術是實現可持續發展的必經之路。其中
，利用太陽能、風能、水(shui)力(li)等(deng)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)能(neng)進(jin)行(xing)電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)氫(qing)氣(qi)作(zuo)為(wei)最(zui)清(qing)潔(jie)的(de)化(hua)學(xue)燃(ran)料(liao)，用(yong)來(lai)替(ti)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)克(ke)服(fu)上(shang)述(shu)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)在(zai)時(shi)空(kong)上(shang)的(de)不(bu)均(jun)勻(yun)分(fen)布(bu)
，從(cong)而(er)有(you)效(xiao)地(di)實(shi)現(xian)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)存(cun)儲(chu)和(he)利(li)用(yong)。由(you)此(ci)可(ke)見(jian)，電(dian)解(jie)水(shui)是(shi)一(yi)項(xiang)極(ji)具(ju)前(qian)景(jing)的(de)能(neng)源(yuan)技(ji)術(shu)。然(ran)而(er)


，電(dian)解(jie)水(shui)技(ji)術(shu)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu)高(gao)效(xiao)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)。如(ru)何(he)設(she)計(ji)高(gao)活(huo)性(xing)高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)是(shi)電(dian)解(jie)水(shui)研(yan)究(jiu)的(de)熱(re)點(dian)和(he)難(nan)點(dian)所(suo)在(zai)，尤(you)其(qi)是(shi)開(kai)發(fa)具(ju)有(you)雙(shuang)功(gong)能(neng)特(te)性(xing)的(de)高(gao)效(xiao)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)。

目前
，在電解水催化劑的研發中，主要存在兩個策略：一個是尋找高性能的非貴金屬材料來替代傳統的貴金屬電催化劑；另ling一yi個ge是shi想xiang辦ban法fa減jian少shao貴gui金jin屬shu電dian催cui化hua劑ji的de用yong量liang，同tong時shi提ti高gao貴gui金jin屬shu催cui化hua劑ji的de穩wen定ding性xing。對dui後hou者zhe而er言yan，常chang見jian的de思si路lu是shi設she計ji貴gui金jin屬shu與yu過guo渡du金jin屬shu的de合he金jin或huo者zhe合he金jin化hua合he物wu。該gai方fang法fa往wang往wang依yi賴lai高gao通tong量liang量liang子zi化hua學xue計ji算suan和he大da量liang的de試shi錯cuo法fa實shi驗yan。因yin此ci
，要yao想xiang通tong過guo第di二er種zhong策ce略lve在zai電dian催cui化hua劑ji設she計ji方fang麵mian取qu得de突tu破po需xu要yao廣guang大da科ke研yan人ren員yuan打da破po傳chuan統tong思si路lu，在zai理li解jie反fan應ying機ji理li的de基ji礎chu上shang進jin行xing更geng加jia合he理li的de催cui化hua劑ji設she計ji與yu可ke控kong合he成cheng。

近期，澳大利亞阿德萊德大學化工學院喬世璋教授課題組提出了NiO作為一種雙功能助催化劑，通過NiO和RuO₂之間的電勢誘導協同效應同時提高複合催化體係的OER和HER催化性能，用以提高RuO₂的雙功能催化活性並減少其用量。該催化體係的設計主要基於大量的理論計算和機理研究。對於OER半反應，RuO₂在OER“火山圖”上從氧的弱吸附方向接近火山頂，在一定程度上加強RuO₂對氧的吸附能力能夠進一步提高它的OER活性。在OER氧化電位下，NiO先被氧化為NiOOH，所得NiOOH對氧具有強吸附性，因而能夠提高RuO₂的氧吸附特性來提升OER性能。另一方麵，對於HER半反應，在堿性電解液中，NiO能夠有效地促進水分子的裂解。在HER電位下，RuO₂表麵能夠被還原為Ru，所得Ru對氫原子具有較強的吸附特性，因而能夠加速吸附水裂解所產生的氫原子，從而提高HER動力學。

該課題組采用簡單的濕化學法合成出了由NiO和RuO₂納米顆粒構成的多孔納米片陣列
，其中RuO₂的質量分數約為18.2%。測試表明，RuO₂/NiO複合體係的OER催化活性比RuO₂高出2.6倍，其HER催化活性與Pt/C相當。作為雙功能催化劑
，它隻需要1.5 V就能取得10 mA/cm²的全水分解電流密度，超過了由Pt/C和IrO₂組成的標準催化體係。同時，基於Tafel斜率的電化學理論分析和實驗測試進一步證實了上述RuO₂和NiO之間的電勢誘導協同效應。

cixianggongzuobujinweihelishejigaoxingnengdiancuihuajitigonglexinsilu，yejiashenleduidianjieshuifanyingguochengzhongxietongcuihuaxiaoyingdelijie，weizhidaokaifagengjiayouyidefuhediancuihuajidiandingleyidingjichu。xiangguanlunwenfabiaozaiSmall（DOI: 10.1002/smll.201704073）上。